Máy in 3D này có thể tự quan sát việc chế tạo đồ vật

Với hệ thống in phun 3D, các kỹ sư có thể chế tạo các cấu trúc lai có các thành phần mềm và cứng, như dụng cụ kẹp robot đủ mạnh để nắm các vật nặng nhưng đủ mềm để tương tác an toàn với con người.

Các hệ thống in 3D đa vật liệu này sử dụng hàng nghìn vòi phun để lắng đọng những giọt nhựa nhỏ, được làm mịn bằng một cái nạo hoặc con lăn và xử lý bằng tia UV. Tuy nhiên, quá trình làm mịn có thể làm nát hoặc làm nhòe các loại nhựa đóng rắn chậm, hạn chế các loại vật liệu có thể được sử dụng.

Các nhà nghiên cứu từ MIT, Inkbit của MIT và ETH Zurich đã phát triển một hệ thống in phun 3D mới hoạt động với nhiều loại vật liệu hơn. Máy in của họ sử dụng thị giác máy tính để tự động quét bề mặt in 3D và điều chỉnh lượng nhựa mà mỗi vòi phun lắng đọng trong thời gian thực để đảm bảo không có khu vực nào có quá nhiều hoặc quá ít vật liệu.

Vì không yêu cầu các bộ phận cơ khí để làm mịn nhựa nên hệ thống không tiếp xúc này hoạt động với các vật liệu xử lý chậm hơn so với acrylat thường được sử dụng trong in 3D. Một số hóa chất xử lý vật liệu chậm hơn có thể mang lại hiệu suất được cải thiện so với acrylate, chẳng hạn như độ đàn hồi, độ bền hoặc tuổi thọ cao hơn.

Ngoài ra, hệ thống tự động thực hiện các điều chỉnh mà không dừng hoặc làm chậm quá trình in, giúp máy in cấp sản xuất này nhanh hơn khoảng 660 lần so với hệ thống in phun 3D tương đương.

Các nhà nghiên cứu đã sử dụng máy in này để tạo ra các thiết bị robot phức tạp kết hợp các vật liệu mềm và cứng. Ví dụ, họ đã chế tạo một dụng cụ kẹp robot hoàn toàn được in 3D có hình dạng giống bàn tay con người và được điều khiển bởi một bộ gân được gia cố nhưng vẫn linh hoạt.

“Cái nhìn sâu sắc quan trọng của chúng tôi ở đây là phát triển hệ thống thị giác máy và vòng phản hồi hoàn toàn chủ động. Điều này gần giống như việc trang bị cho máy in một bộ mắt và bộ não, nơi mắt quan sát những gì đang được in, và sau đó bộ não của máy sẽ điều khiển nó xem những gì sẽ được in tiếp theo,” đồng tác giả Wojciech Matusik cho biết , giáo sư kỹ thuật điện và khoa học máy tính tại MIT, người đứng đầu Nhóm Thiết kế và Chế tạo Tính toán trong Phòng thí nghiệm Khoa học Máy tính và Trí tuệ Nhân tạo MIT (CSAIL).

Tham gia vào bài báo có sự tham gia của tác giả chính Thomas Buchner, một nghiên cứu sinh tiến sĩ tại ETH Zurich, đồng tác giả Robert Katzschmann PhD ’18, trợ lý giáo sư về robot, người đứng đầu Phòng thí nghiệm Robot mềm tại ETH Zurich; cũng như những người khác tại ETH Zurich và Inkbit. Nghiên cứu xuất hiện ngày hôm nay trong Thiên nhiên.

Liên hệ miễn phí

Bài viết này xây dựng một máy in 3D đa vật liệu, chi phí thấp được gọi là MultiFab mà các nhà nghiên cứu đã giới thiệu vào năm 2015. Bằng cách sử dụng hàng nghìn vòi phun để lắng đọng những giọt nhựa nhỏ được xử lý bằng tia cực tím, MultiFab cho phép in 3D độ phân giải cao với tối đa 10 vật liệu cùng một lúc.

Với dự án mới này, các nhà nghiên cứu đã tìm kiếm một quy trình không tiếp xúc có thể mở rộng phạm vi vật liệu mà họ có thể sử dụng để chế tạo các thiết bị phức tạp hơn.

Họ đã phát triển một kỹ thuật, được gọi là phun tia kiểm soát thị giác, sử dụng bốn camera tốc độ khung hình cao và hai tia laser quét nhanh và liên tục bề mặt in. Các máy ảnh ghi lại hình ảnh khi hàng nghìn vòi phun tạo ra những giọt nhựa nhỏ.

Hệ thống thị giác máy tính chuyển đổi hình ảnh thành bản đồ độ sâu có độ phân giải cao, quá trình tính toán chỉ mất chưa đầy một giây để thực hiện. Nó so sánh bản đồ độ sâu với mô hình CAD (thiết kế có sự hỗ trợ của máy tính) của bộ phận đang được chế tạo và điều chỉnh lượng nhựa được lắng đọng để giữ vật thể ở đúng mục tiêu với cấu trúc cuối cùng.

Hệ thống tự động có thể điều chỉnh bất kỳ vòi phun riêng lẻ nào. Vì máy in có 16.000 đầu phun nên hệ thống có thể kiểm soát các chi tiết nhỏ của thiết bị được chế tạo.

“Về mặt hình học, nó có thể in hầu hết mọi thứ bạn muốn từ nhiều vật liệu. Hầu như không có giới hạn nào về những gì bạn có thể gửi tới máy in và những gì bạn nhận được thực sự hữu ích và lâu dài,” Katzschmann nói.

Mức độ kiểm soát mà hệ thống cung cấp cho phép nó in rất chính xác bằng sáp, được sử dụng làm vật liệu hỗ trợ để tạo ra các khoang hoặc mạng lưới kênh phức tạp bên trong vật thể. Sáp được in bên dưới cấu trúc khi thiết bị được chế tạo. Sau khi hoàn thành, vật thể được làm nóng để sáp tan chảy và thoát ra ngoài, để lại các rãnh mở khắp vật thể.

Bởi vì nó có thể tự động và nhanh chóng điều chỉnh lượng vật liệu được lắng đọng bởi mỗi vòi phun trong thời gian thực nên hệ thống không cần phải kéo một bộ phận cơ học trên bề mặt in để giữ cho nó cân bằng. Điều này cho phép máy in sử dụng các vật liệu xử lý dần dần và sẽ bị nhòe do dụng cụ cạo.

Chất liệu cao cấp

Các nhà nghiên cứu đã sử dụng hệ thống này để in bằng vật liệu gốc thiol, có thời gian xử lý chậm hơn so với vật liệu acrylic truyền thống được sử dụng trong in 3D. Tuy nhiên, vật liệu gốc thiol đàn hồi hơn và không dễ bị gãy như acrylat. Chúng cũng có xu hướng ổn định hơn trong phạm vi nhiệt độ rộng hơn và không bị phân hủy nhanh chóng khi tiếp xúc với ánh sáng mặt trời.

Katzschmann cho biết: “Đây là những đặc tính rất quan trọng khi bạn muốn chế tạo robot hoặc hệ thống cần tương tác với môi trường thế giới thực”.

Các nhà nghiên cứu đã sử dụng vật liệu và sáp dựa trên thiol để chế tạo một số thiết bị phức tạp mà gần như không thể chế tạo được bằng các hệ thống in 3D hiện có. Đầu tiên, họ đã tạo ra một bàn tay robot điều khiển bằng gân có chức năng, có 19 gân có thể điều khiển độc lập, các ngón tay mềm có miếng đệm cảm biến và xương cứng, chịu lực.

Buchner cho biết: “Chúng tôi cũng sản xuất một robot biết đi sáu chân có thể cảm nhận và nắm bắt các vật thể, điều này có thể thực hiện được nhờ khả năng của hệ thống trong việc tạo ra các giao diện kín khí của vật liệu mềm và cứng, cũng như các kênh phức tạp bên trong cấu trúc”.

Nhóm nghiên cứu cũng trình diễn công nghệ này thông qua một máy bơm giống quả tim có tâm thất tích hợp và van tim nhân tạo, cũng như siêu vật liệu có thể được lập trình để có các đặc tính vật liệu phi tuyến tính.

“Đây mới chỉ là khởi đầu. Có một số lượng lớn các loại vật liệu mới mà bạn có thể thêm vào công nghệ này. Điều này cho phép chúng tôi mang đến những dòng vật liệu hoàn toàn mới mà trước đây không thể sử dụng trong in 3D,” Matusik nói.

Các nhà nghiên cứu hiện đang xem xét sử dụng hệ thống để in bằng hydrogel, được sử dụng trong các ứng dụng kỹ thuật mô, cũng như vật liệu silicon, epoxies và các loại polyme bền đặc biệt.

Họ cũng muốn khám phá các lĩnh vực ứng dụng mới, chẳng hạn như in các thiết bị y tế có thể tùy chỉnh, miếng đánh bóng bán dẫn và thậm chí cả những robot phức tạp hơn.

Nghiên cứu này được tài trợ một phần bởi Credit Suisse, Quỹ Khoa học Quốc gia Thụy Sĩ, Cơ quan Dự án Nghiên cứu Tiên tiến Quốc phòng Hoa Kỳ và Quỹ Khoa học Quốc gia Hoa Kỳ.